JP2000277390A - Electric double-layer capacitor - Google Patents

Electric double-layer capacitor

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JP2000277390A
JP2000277390A JP7941899A JP7941899A JP2000277390A JP 2000277390 A JP2000277390 A JP 2000277390A JP 7941899 A JP7941899 A JP 7941899A JP 7941899 A JP7941899 A JP 7941899A JP 2000277390 A JP2000277390 A JP 2000277390A
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electric double
carbon
capacitor
layer capacitor
carbon material
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Japanese (ja)
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Yusuke Arai
裕介 新居
Hiroyuki Katsukawa
裕幸 勝川
Hitoshi Yoshida
均 吉田
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NGK Insulators Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electric double-layer capacitor composed by dipping a polarization electrode indicating large capacitance formed mainly by using a carbon material with a structure body made of microcrystal carbon similar to graphite into an organic electrolyte. SOLUTION: In the electric double-layer capacitor, a polarization electrode composed mainly of carbon materials 90 and 92 is dipped into an organic electrolyte, the carbon materials 90 and 92 have a structural body 96 made of mirocrystal carbon 94 similar to graphite, the organic electrolyte is decomposed by a first charging, coating is formed on the surface of the structure body 96 and/or at a gap part 98 between the structural bodies 96, and an electric double-layer is formed in the coating for allowing capacitance to manifest itself.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】 本発明は、黒鉛類似の微結
晶炭素を有する炭素材料を主として形成された高い静電
容量を示す分極性電極を有機電解液中に浸漬してなる電
気二重層コンデンサに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an electric double-layer capacitor obtained by immersing a polarizable electrode having high capacitance mainly formed of a carbon material having microcrystalline carbon similar to graphite in an organic electrolyte. .

【0002】[0002]

【従来の技術】 電気二重層コンデンサは、ファラッド
級の大容量を有し、充放電サイクル特性にも優れること
から、電子機器のバックアップ電源や自動車を始めとし
た各種輸送機のバッテリーとして用いられている他、エ
ネルギーの有効利用の観点からは、夜間電力の貯蔵とい
った用途での使用も検討されている。
2. Description of the Related Art Electric double layer capacitors have a farad-class large capacity and excellent charge / discharge cycle characteristics, and are therefore used as backup power supplies for electronic equipment and batteries for various transport vehicles such as automobiles. In addition, from the viewpoint of effective use of energy, use in applications such as storage of nighttime power is also being considered.

【0003】 このような電気二重層コンデンサの基本
構造の1つである単電極セル10は、図1に示されるよ
うに、一般的には金属材料からなる集電体20・22に
それぞれ正極側の分極性電極24と負極側の分極性電極
26が形成され、分極性電極24・26がセパレータ2
8によって隔離された構造を有しており、分極性電極2
4・26には、溶媒と電解質とからなる電解液が含浸さ
れる。
As shown in FIG. 1, a single electrode cell 10, which is one of the basic structures of such an electric double layer capacitor, is generally connected to current collectors 20 and 22 made of a metal material on the positive electrode side, respectively. The polarizable electrode 24 and the polarizable electrode 26 on the negative electrode side are formed, and the polarizable electrodes 24
8 and a polarizable electrode 2
4. 26 is impregnated with an electrolytic solution composed of a solvent and an electrolyte.

【0004】 また、図2は単キャパシタセル12の構
造を示しており、複数の単電極セル10を、集電体20
・22に形成された電極取り出し部30・32をそれぞ
れ電気的に並列接続した構造を有している。自動車用等
に用いられる比較的容量の大きな電気二重層コンデンサ
としては、このような単キャパシタセル12が好適に用
いられる。これら単電極セル10や単キャパシタセル1
2は、共に平板型であり、高充填、大面積化が容易であ
る特徴を有するが、内部抵抗は大きくなりがちである。
FIG. 2 shows the structure of a single capacitor cell 12 in which a plurality of single electrode cells 10 are connected to a current collector 20.
・ Electrode extraction portions 30 and 32 formed at 22 are electrically connected in parallel. Such a single-capacitor cell 12 is suitably used as an electric double layer capacitor having a relatively large capacity used for automobiles and the like. These single electrode cell 10 and single capacitor cell 1
No. 2 is a flat plate type, and has a feature that high filling and a large area are easy, but the internal resistance tends to increase.

【0005】 このような平板型の電気二重層コンデン
サに対して、図3に示すような捲回型の電気二重層コン
デンサ70もあり、捲回型は単キャパシタセル12と同
様に、高容量化に適した構造である。捲回型電気二重層
コンデンサ70においては、集電体20に正極側の分極
性電極24が形成された正極シート72と、集電体22
に負極側の分極性電極26が形成された負極シート74
とを、セパレータ28を介して円筒状に捲回して作製さ
れた捲回体76が電極体として用いられ、例えば、この
捲回体76をケース78に収容して電解液を充填し、各
極シート72・74と電極端子80の各々との導通を確
保しながら、電極端子80が形成された封口板82でケ
ース78の開口端面を封止することで作製される。
[0005] In contrast to such a flat-type electric double-layer capacitor, there is also a wound-type electric double-layer capacitor 70 as shown in FIG. It is a structure suitable for. In the wound type electric double layer capacitor 70, the positive electrode sheet 72 in which the positive electrode side polarizable electrode 24 is formed on the current collector 20, and the current collector 22.
Sheet 74 on which a negative polarizable electrode 26 is formed
Is used as an electrode body. For example, the wound body 76 is accommodated in a case 78, filled with an electrolytic solution, and each electrode is filled. It is manufactured by sealing the opening end face of the case 78 with the sealing plate 82 on which the electrode terminals 80 are formed, while ensuring conduction between the sheets 72 and 74 and each of the electrode terminals 80.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】 このような電気二重
層コンデンサ用の分極性電極材料としては、比表面積が
1000m2/g以上の活性炭を主体とするものが従来
から使用されている。このような活性炭を用いた分極性
電極においては、活性炭の表面近傍の電荷と、電解液中
のイオンとが電気的に結びつく、つまり、イオンが活性
炭の表面に吸着することで静電容量が発現していると考
えられている。従って、活性炭は、その表面の形態が得
られる静電容量の大きさと深く関係しているという特性
を持った材料と言える。
As a polarizable electrode material for such an electric double layer capacitor, a material mainly composed of activated carbon having a specific surface area of not less than 1000 m 2 / g has been conventionally used. In a polarizable electrode using such activated carbon, the electric charge near the surface of the activated carbon and the ions in the electrolyte are electrically connected, that is, the capacitance is generated by the adsorption of the ions on the activated carbon surface. Is believed to be. Therefore, activated carbon can be said to be a material having the characteristic that its surface morphology is deeply related to the obtained capacitance.

【0007】 しかし、このような従来の活性炭を用い
た電気二重層コンデンサの静電容量密度は15F/cc
程度が限界であり、また、耐電圧も3V程度である。そ
こで、電気二重層コンデンサの更なる高性能化を図るた
めに、新しい高静電容量の分極性電極材料が望まれてい
る。
However, the capacitance density of such a conventional electric double-layer capacitor using activated carbon is 15 F / cc.
The degree is the limit, and the withstand voltage is about 3V. Therefore, in order to further improve the performance of the electric double layer capacitor, a new high-capacitance polarizable electrode material is desired.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】 本発明は、上述した課
題に鑑みてなされたものであり、従来の活性炭を用いた
分極性電極とは異なる機構によって静電容量が発現する
高い静電容量を有する分極性電極材料を用いた電気二重
層コンデンサを提供することを目的とする。
Means for Solving the Problems The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and has a high capacitance in which a capacitance is developed by a mechanism different from that of a conventional polarizable electrode using activated carbon. It is an object to provide an electric double layer capacitor using a polarizable electrode material having the same.

【0009】 即ち、本発明によれば、主として炭素材
料により構成される分極性電極が、有機電解液中に浸漬
されてなる電気二重層コンデンサであって、当該炭素材
料が黒鉛類似の微結晶炭素からなる構造体を有してお
り、最初の充電によって当該有機電解液が分解して、当
該構造体の表面及び/又は当該構造体間の間隙部に皮膜
が形成され、当該皮膜の部分において電気二重層が形成
されることにより静電容量が発現することを特徴とする
電気二重層コンデンサ、が提供される。
That is, according to the present invention, there is provided an electric double layer capacitor in which a polarizable electrode mainly composed of a carbon material is immersed in an organic electrolytic solution, wherein the carbon material is a graphite-like microcrystalline carbon. The organic electrolyte solution is decomposed by the first charge, and a film is formed on the surface of the structure and / or a gap between the structures. An electric double layer capacitor characterized by exhibiting a capacitance by forming a double layer is provided.

【0010】 このような本発明の電気二重層コンデン
サにおいては、分極性電極の主材料である炭素材料がア
ルカリ金属種を含有するものであることが好ましく、特
に、構造体間の間隙部にアルカリ金属種が存在している
ものであることが好ましい。ここで、アルカリ金属種と
は、アルカリ金属元素のイオン、金属、化合物を包含す
るものである。
In such an electric double layer capacitor of the present invention, it is preferable that the carbon material, which is the main material of the polarizable electrode, contains an alkali metal species. Preferably, the metal species is present. Here, the alkali metal species includes ions, metals, and compounds of the alkali metal element.

【0011】[0011]

【発明の実施の形態】 本発明の電気二重層コンデンサ
(以下、「コンデンサ」という。)は、主として炭素材
料により構成される分極性電極が、有機電解液中に浸漬
されて構成されたコンデンサである。以下、先ずこのコ
ンデンサの構成要素について、製造方法を含めながら説
明する。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION An electric double layer capacitor (hereinafter, referred to as “capacitor”) of the present invention is a capacitor in which a polarizable electrode mainly composed of a carbon material is immersed in an organic electrolyte. is there. Hereinafter, first, the components of the capacitor will be described including the manufacturing method.

【0012】 分極性電極の主材料となる炭素材料の作
製に当たって、先ず最初に、石油コークス、石炭コーク
ス、石油ピッチ(タール)、石炭ピッチ(タール)、フ
ェノール樹脂、メソフェーズカーボン、ポリ塩化ビニ
ル、ポリ塩化ビニリデン、ポリイミド、ヤシガラ、大鋸
屑等の有機材料を、不活性ガス雰囲気中、約700℃〜
1000℃の温度範囲で熱処理して炭化させ、炭化材料
を得る。これらの有機材料は、1種類を単独で用いても
よく、また複数種の混合物として用いてもよい。不活性
ガスとしては、窒素ガス、並びにアルゴンガスやヘリウ
ムガスといった希ガスが好適に用いられる。
In producing a carbon material as a main material of a polarizable electrode, first, petroleum coke, coal coke, petroleum pitch (tar), coal pitch (tar), phenolic resin, mesophase carbon, polyvinyl chloride, polychloride Organic materials such as vinylidene chloride, polyimide, coconut husks, sawdust, and the like are mixed at about 700 ° C. in an inert gas atmosphere.
Heat treatment is performed in a temperature range of 1000 ° C. to carbonize to obtain a carbonized material. One of these organic materials may be used alone, or a mixture of two or more thereof may be used. As the inert gas, nitrogen gas and rare gases such as argon gas and helium gas are preferably used.

【0013】 次に、得られた炭化材料を、所定粒径を
有するように粉砕することが好ましい。ここで、有機材
料が粉末状である等のために炭化材料が粉末の形で得ら
れる場合には、粉砕処理は必ずしも必要ではない。この
粉砕処理により、次工程におけるアルカリ金属若しくは
アルカリ金属化合物との反応の均一化と、熱処理時間の
短縮を図ることができるようになる。なお、ここでの粉
砕処理には、乾式・湿式を問わず、公知の種々の方法を
用いることができる。
Next, it is preferable to pulverize the obtained carbonized material so as to have a predetermined particle size. Here, when the carbonized material is obtained in the form of a powder because the organic material is in the form of a powder or the like, the pulverizing treatment is not necessarily required. This pulverization makes it possible to make the reaction with the alkali metal or alkali metal compound uniform in the next step and to shorten the heat treatment time. In addition, various well-known methods can be used for the pulverization treatment regardless of a dry type or a wet type.

【0014】 得られた粉末状の炭化材料は、アルカリ
金属若しくはアルカリ金属化合物(以下、「アルカリ金
属等」という。)の少なくとも1種と共に、アルカリ金
属の蒸気が発生する温度以上で熱処理される。ここで、
アルカリ金属としては、カリウム、ナトリウム、リチウ
ムが好適に用いられる。また、高価な材料ではあるがル
ビジウムを用いることもできる。そして、これらアルカ
リ金属の化合物としては、水酸化カリウム、水酸化ナト
リウム等の水酸化物や炭酸カリウム、炭酸ナトリウム等
の炭酸塩が好適に用いられる。これらのアルカリ金属と
その化合物は、複数種を混合して用いてもよい。
The obtained powdered carbonized material is heat-treated together with at least one of an alkali metal or an alkali metal compound (hereinafter referred to as “alkali metal or the like”) at a temperature at which vapor of the alkali metal is generated or higher. here,
As the alkali metal, potassium, sodium and lithium are preferably used. Although it is an expensive material, rubidium can also be used. As these alkali metal compounds, hydroxides such as potassium hydroxide and sodium hydroxide and carbonates such as potassium carbonate and sodium carbonate are preferably used. These alkali metals and their compounds may be used in combination of two or more.

【0015】 なお、これらのアルカリ金属の蒸気が発
生する温度での処理とは、炭化材料とアルカリ金属等を
混合し、アルカリ金属の蒸気が発生する温度にまで加熱
して処理することをいい、この熱処理は不活性ガス雰囲
気中で行われる。
The treatment at the temperature at which the vapor of the alkali metal is generated means that the carbonized material and the alkali metal are mixed and heated to a temperature at which the vapor of the alkali metal is generated. This heat treatment is performed in an inert gas atmosphere.

【0016】 炭化材料は、アルカリ金属等と共に熱処
理された後、通常は、アルカリ金属等が冷却されてなる
固形物中に分散して存在する。そこで、メタノールやエ
タノール等のアルコール系溶媒や蒸留水等を用いて、ア
ルカリ金属等を溶解し、炭化材料を洗浄、濾過する。こ
うして、分極性電極に用いられる炭素材料が得られる。
After the carbonized material is heat-treated together with the alkali metal or the like, usually, the carbonized material is dispersed and present in a solid material obtained by cooling the alkali metal or the like. Therefore, an alkali metal or the like is dissolved using an alcohol solvent such as methanol or ethanol, distilled water, or the like, and the carbonized material is washed and filtered. Thus, a carbon material used for the polarizable electrode is obtained.

【0017】 なお、ここでの炭化材料の洗浄は、アル
カリ金属等の残留物を除去することを目的としており、
処理後に得られる炭素材料中に、全くアルカリ金属等が
含まれなくなることを意図して行うものではない。従っ
て、濾過液中にアルカリ金属等が殆ど含まれない状態と
なった時点で洗浄処理は終了とされる。これは、アルカ
リ金属等の一部は、洗浄等の手段ではとうてい除去する
ことが出来ない程度にまで、炭化材料の組織内部に深く
入り込んでいる可能性が大きいためである。
Note that the cleaning of the carbonized material here is intended to remove residues such as alkali metals.
It is not intended that the carbon material obtained after the treatment contains no alkali metal or the like at all. Therefore, the washing process is terminated when the filtrate almost contains no alkali metal or the like. This is because there is a great possibility that a part of the alkali metal or the like has penetrated deep into the tissue of the carbonized material to such an extent that it cannot be removed by means such as washing.

【0018】 こうして得られた炭素材料の微構造は、
原料として使用した有機材料によって異なるが、大きく
は、図4の模式図に示した2種類に分けることができ
る。図4(a)、(b)に示されるように、炭素材料9
0・92は、共に黒鉛類似の微結晶炭素94(微結晶炭
素94の網平面は紙面に垂直)が層状に積層されてなる
構造体96から主に構成され、構造体96そのものは微
結晶炭素94がほぼ平行にほぼ等間隔で積み重なった構
造を有している点で、共通している。
The microstructure of the carbon material thus obtained is
Although it depends on the organic material used as a raw material, it can be roughly classified into two types shown in the schematic diagram of FIG. As shown in FIGS. 4A and 4B, the carbon material 9
Reference numeral 0.92 is mainly composed of a structure 96 in which microcrystalline carbon 94 similar to graphite (the net plane of the microcrystalline carbon 94 is perpendicular to the paper surface) is layered, and the structure 96 itself is composed of microcrystalline carbon. 94 are common in that they have a structure in which they are stacked substantially in parallel at substantially equal intervals.

【0019】 そして、図4(a)の炭素材料90の構
造は、各構造体96間の配列が、層平面が略平行に、但
し、完全に平行となるようには配向しておらず、不規則
に角度を持って積み重なった構造を有している。このよ
うな炭素材料90は、炭化処理における黒鉛化が起こり
易い有機材料を用いた場合に多くみられる。
In the structure of the carbon material 90 shown in FIG. 4A, the arrangement between the structures 96 is not oriented such that the layer planes are substantially parallel, but completely parallel. It has a structure that is stacked at an irregular angle. Such a carbon material 90 is often seen when an organic material that is apt to be graphitized in the carbonization process is used.

【0020】 一方、図4(b)の炭素材料92の構造
は、各構造体96がランダムに網目状に配列された構造
を有し、このような炭素材料92は、炭化処理における
黒鉛化が起こり難い有機材料を用いた場合に多くみられ
る。
On the other hand, the structure of the carbon material 92 shown in FIG. 4B has a structure in which the respective structural bodies 96 are randomly arranged in a mesh pattern. It is often seen when organic materials that are unlikely to occur are used.

【0021】 さて、炭素材料を主材料として、分極性
電極が作製される。この分極性電極の作製は、炭素材料
に、有機バインダやカーボンブラック等の導電助剤を添
加した後、混合、混練等し、板状やシート状といった種
々の形状に加工することで行われる。なお、炭素材料
は、コンデンサの構造に関係なく分極性電極の材料とし
て用いることができることは言うまでもない。例えば、
分極性電極を前述した図1記載の単電極セル10や図2
記載の単キャパシタセル12、更には図3記載の捲回体
76のような構造に形成して、ケースに収容し、有機電
解液を含浸させることで種々の構造のコンデンサを作製
することができる。
Now, a polarizable electrode is manufactured using a carbon material as a main material. This polarizable electrode is produced by adding a conductive additive such as an organic binder or carbon black to a carbon material, mixing, kneading, or the like, and processing into various shapes such as a plate shape or a sheet shape. Needless to say, the carbon material can be used as a material for the polarizable electrode regardless of the structure of the capacitor. For example,
The above-described single electrode cell 10 shown in FIG.
The capacitor having various structures can be manufactured by forming into the structure of the single capacitor cell 12 described above, and further, the structure like the wound body 76 illustrated in FIG. 3, housing the case, and impregnating the organic electrolyte solution. .

【0022】 コンデンサの構造は異なっても、使用さ
れる有機電解液には変わりはない。有機電解液の溶質、
即ち電解質としては、4級アンモニウムの4フッ化ホウ
酸(BF4 -)塩又は6フッ化リン酸(PF6 -)塩、或い
はテトラエチルアンモニウム(TEA+)又はテトラブ
チルアンモニウム(TBA+)のBF4塩又はPF6塩、
トリエチルメチルアンモニウム(TEMA+)のBF4
又はPF6塩、或いは4級ホスホニウム塩のBF4塩又は
PF6塩、テトラエチルホスホニウム(TEP+)のBF
4塩又はPF6塩、或いは一般式
Although the structure of the capacitor is different, there is no change in the organic electrolyte used. Solute of organic electrolyte,
That is, as the electrolyte, quaternary ammonium tetrafluoroboric acid (BF 4 ) salt or hexafluorophosphoric acid (PF 6 ) salt, or BF of tetraethylammonium (TEA + ) or tetrabutylammonium (TBA + ) 4 salt or PF 6 salt,
BF 4 salt or a PF 6 salt of triethylmethylammonium (TEMA +), or quaternary BF 4 salt or a PF 6 salt of phosphonium salts, BF tetraethyl phosphonium (TEP +)
4 salt or PF 6 salt, or general formula

【0023】[0023]

【化1】 Embedded image

【0024】 (式中、R1、R2は炭素数1〜5のアル
キル基であり、R1、R2は同じ基でもよいし、異なる基
でもよい。)に示されるイミダゾリウム誘導体のBF4
塩又はPF6塩、1−エチル−3−メチルイリダゾリウ
ム(EMI+)のBF4塩又はPF6塩が好適に用いられ
る。
(Wherein R 1 and R 2 are alkyl groups having 1 to 5 carbon atoms, and R 1 and R 2 may be the same or different groups). Four
Salts or PF 6 salts, and BF 4 salts or PF 6 salts of 1-ethyl-3-methyliridazolium (EMI + ) are preferably used.

【0025】 一方、電解液の溶媒としては、プロピレ
ンカーボネート(PC)、γ−ブチルラクトン(GB
L)、エチレンカーボネート(EC)、スルホラン(S
L)の少なくとも1種を含むものが好適に用いられる。
また、前記PC、GBL、EC、SLの少なくとも1種
を含むものを主溶媒とし、ジメチルカーボネート(DM
C)、エチルメチルカーボネート(EMC)、ジエチル
カーボネート(DEC)の少なくとも1種を含むものを
副溶媒としたものを用いることも可能である。
On the other hand, propylene carbonate (PC), γ-butyl lactone (GB
L), ethylene carbonate (EC), sulfolane (S
Those containing at least one of L) are preferably used.
A solvent containing at least one of PC, GBL, EC and SL is used as a main solvent, and dimethyl carbonate (DM
It is also possible to use a solvent containing at least one of C), ethyl methyl carbonate (EMC) and diethyl carbonate (DEC) as a sub-solvent.

【0026】 ここで、主溶媒とは、その物質単独であ
っても電解液溶媒として十分な性能が得られる溶媒をい
い、副溶媒とは、その物質単独では電解液溶媒としての
性能は低いが、主溶媒と組み合わせて用いることで、主
溶媒単独又は副溶媒単独以上の性能が得られる溶媒をい
い、副溶媒の添加量は、例えば50%以下である、とい
った制限のあるものではない。
Here, the main solvent refers to a solvent capable of obtaining sufficient performance as an electrolyte solvent even when the substance is used alone, and the auxiliary solvent refers to a solvent having a low performance as an electrolyte solvent when the substance alone is used. It refers to a solvent that, when used in combination with the main solvent, can attain a performance higher than that of the main solvent alone or the auxiliary solvent alone.

【0027】 さて、こうして作製されたコンデンサの
最初の充放電においては、一般的には、先ず所定電圧と
なるまでは定電流充電を行い、次いで定電流充電後の所
定電圧にて一定時間ほど定電圧充電を行うことで充電が
行われ、そして、充電状態から所定の電流値で定電流放
電を行うことで放電が行われる。こうして静電容量が確
認される他、最初の充電によって、コンデンサの静電容
量がほぼ決定される。
In the first charge / discharge of the capacitor thus manufactured, generally, first, constant current charging is performed until a predetermined voltage is reached, and then constant current charging is performed at a predetermined voltage after the constant current charging for a certain period of time. Charging is performed by performing voltage charging, and discharging is performed by performing constant current discharging at a predetermined current value from the charged state. In addition to the confirmation of the capacitance in this way, the capacitance of the capacitor is substantially determined by the first charging.

【0028】 上述の通りに作製されたコンデンサの最
初(1回目)の充放電と2回目、3回目の充放電におけ
る電圧の時間変化を示したグラフを図5に示す。ここ
で、充電における定電流充電は10mAで4Vとなるま
で行い、次いで4Vで20分間の定電圧充電を行い、そ
の後に5mAの定電流で放電を行っている。
FIG. 5 is a graph showing the time change of the voltage in the first (first) charge and discharge, the second and third charge and discharge of the capacitor manufactured as described above. Here, constant-current charging in charging is performed at 10 mA until the voltage becomes 4 V, then constant-voltage charging is performed at 4 V for 20 minutes, and then discharging is performed at a constant current of 5 mA.

【0029】 1回目の充放電曲線と2回目の充放電曲
線とを比較すると、特に、充電開始直後の定電流充電域
での電圧変化の様子が著しく異なっていることがわか
る。しかし、2回目以降の充放電においては、充放電曲
線には殆ど変化は現れていない。また、1回目の充電段
階では、コンデンサ内部からガスの発生が明確に確認さ
れる。このような1回目と2回目以降の充放電挙動に違
いが生ずることやガスの発生は、従来の活性炭を用いた
コンデンサでは顕著には観察されない現象である。
A comparison between the first charge / discharge curve and the second charge / discharge curve shows that the voltage change in the constant current charging region immediately after the start of charging is remarkably different. However, in the second and subsequent charging / discharging, almost no change appears in the charging / discharging curve. In the first charging stage, generation of gas from inside the capacitor is clearly confirmed. Such a difference in charge / discharge behavior between the first and second and subsequent times and the generation of gas are phenomena that are not remarkably observed in a conventional capacitor using activated carbon.

【0030】 従って、1回目の充放電における特に充
電段階が、分極性電極の充放電に関わる組織や構造、形
態の形成、即ち静電容量の発現に密接に関係しているこ
とが推測される。つまり、本発明のコンデンサでは、最
初の充電によって有機電解液が分解して、炭素材料中の
黒鉛類似微結晶炭素からなる構造体の表面及び/又は構
造体間の間隙部に皮膜が形成され、このような皮膜の部
分において電気二重層が形成されることにより静電容量
が発現するという特徴を有する。
Therefore, it is presumed that the charge step in the first charge / discharge, in particular, is closely related to the formation of the structure, structure, and morphology related to the charge / discharge of the polarizable electrode, that is, the development of the capacitance. . That is, in the capacitor of the present invention, the organic electrolyte is decomposed by the first charge, and a film is formed on the surface of the structure made of graphite-like microcrystalline carbon in the carbon material and / or a gap between the structures, The formation of the electric double layer in such a film portion has a characteristic that a capacitance is developed.

【0031】 前述した図4(a)・(b)を用いて説
明すると、電気二重層が形成される皮膜は、微結晶炭素
94からなる構造体96の表面、及び/又は、構造体9
6間の間隙部98の部分に形成される。なお、図4
(a)・(b)において、間隙部98の一部を打点枠で
示した。
Referring to FIGS. 4A and 4B described above, the film on which the electric double layer is formed is formed on the surface of the structure 96 made of microcrystalline carbon 94 and / or the structure 9.
It is formed in the portion of the gap 98 between the six. FIG.
In (a) and (b), a part of the gap 98 is indicated by a dot frame.

【0032】 なお、アルカリ金属等による熱処理を行
わない場合には、高い静電容量が発現しないことから、
分極性電極の主材料である炭素材料に含まれるアルカリ
金属種が、上記静電容量の発現機構に何らかの形で関与
しているものと考えられる。アルカリ金属種が洗浄処理
を行っても、炭素材料中に留まる一つの形態としては、
微結晶炭素からなる構造体の表面に吸着して存在してい
る場合の他に、アルカリ金属種が、イオン、金属、化合
物等の何らかの形態で、洗浄液が浸入できない微結晶炭
素からなる構造体の間隙部に存在している場合が考えら
れる。
In the case where heat treatment with an alkali metal or the like is not performed, since a high capacitance does not appear,
It is considered that the alkali metal species contained in the carbon material, which is the main material of the polarizable electrode, is involved in the above-mentioned mechanism of developing the capacitance in some form. Even when the alkali metal species is subjected to the cleaning treatment, as one form that remains in the carbon material,
In addition to the case where it is adsorbed and present on the surface of the structure made of microcrystalline carbon, the alkali metal species is in the form of ions, metals, compounds, etc. It is conceivable that it exists in the gap.

【0033】[0033]

【実施例】 次に、本発明の実施例について説明する
が、以下の実施例が本発明を限定するものでないことは
いうまでもない。
EXAMPLES Next, examples of the present invention will be described, but it goes without saying that the following examples do not limit the present invention.

【0034】 (実施例1)有機材料として石油コーク
スを用い、石油コークス100gを、窒素雰囲気中、8
00℃で2時間ほど熱処理して炭化処理を行い、室温ま
で冷却した。なお、この時の昇温速度は100℃/時間
とした。その後、得られた炭素材料を平均粒径35μm
に粉砕した。この炭素材料の粉末50gと水酸化カリウ
ム100gをアルミナ坩堝に入れ、窒素ガス雰囲気中、
800℃で2時間のアルカリ賦活処理を行った。冷却後
に、不要な水酸化カリウム等のカリウム化合物を水洗し
て除去し、濾過により炭素材料粉末を分離、乾燥して粉
末状の炭素材料を得た。
Example 1 Petroleum coke was used as an organic material, and 100 g of petroleum coke was placed in a nitrogen atmosphere at 8 g.
The carbonization treatment was performed by heat treatment at 00 ° C. for about 2 hours, and the mixture was cooled to room temperature. In this case, the heating rate was 100 ° C./hour. Thereafter, the obtained carbon material was subjected to an average particle size of 35 μm.
Crushed. 50 g of this carbon material powder and 100 g of potassium hydroxide are put into an alumina crucible and placed in a nitrogen gas atmosphere.
An alkali activation treatment was performed at 800 ° C. for 2 hours. After cooling, unnecessary potassium compounds such as potassium hydroxide were removed by washing with water, and the carbon material powder was separated by filtration and dried to obtain a powdery carbon material.

【0035】 得られた炭素材料1gに対して、導電助
剤としてのカーボンブラック0.1g、バインダーとし
てのPTFE(ポリテトラフルオロエチレン)を添加し
て、混合、混練し、更に圧延して厚み0.5mmのシー
ト状に成形した。こうして作製した電極シートから、直
径19mmφに打ち抜いたものを正負極の分極性電極と
して用い、また、集電体としてアルミニウム箔を、セパ
レータとしてガラス繊維不織布を用い、更にPCを溶媒
とし、テトラエチルアンモニウム・テトラフルオロボレ
ート(TEABF4)を溶質として濃度1mol/Lの
電解液を作製し、図1記載の単電極セル10と同等の構
造を有するコンデンサ(実施例1)を作製した。なお、
コンデンサの作製は、露点80℃以下のアルゴンガス雰
囲気のグローブボックス中で行った。
To 1 g of the obtained carbon material, 0.1 g of carbon black as a conductive additive and PTFE (polytetrafluoroethylene) as a binder were added, mixed, kneaded, and further rolled to a thickness of 0 g. It was formed into a 0.5 mm sheet. From the electrode sheet thus prepared, a punched one having a diameter of 19 mm was used as the positive and negative polarizable electrodes, an aluminum foil was used as a current collector, a glass fiber nonwoven fabric was used as a separator, and PC was used as a solvent, and tetraethylammonium. An electrolytic solution having a concentration of 1 mol / L was prepared using tetrafluoroborate (TEABF 4 ) as a solute, and a capacitor (Example 1) having a structure equivalent to that of the single electrode cell 10 shown in FIG. 1 was prepared. In addition,
The production of the capacitor was performed in a glove box in an argon gas atmosphere having a dew point of 80 ° C. or less.

【0036】 作製した実施例1のコンデンサの最初の
充放電を、10mAの定電流で4Vまで定電流充電を行
い、その後4Vにて20分間の定電圧充電を行った後、
5mAの放電電流にて放電することで行った。従来の活
性炭を用いたコンデンサでは静電容量密は15F/cc
が限度であったが、実施例1は27F/ccと大きな静
電容量密度を示した。また、従来の活性炭を用いたコン
デンサでは3Vを越える電圧を印加すると、電解液の分
解が顕著に起こり、使用に耐えなかったが、実施例1の
コンデンサでは、前述のような4Vという高い電圧を印
加しても連続使用に何ら支障を生じなかった。なお、実
施例1のコンデンサの最初の充放電曲線、並びに2回目
以降の充放電曲線は、先に図5に示した充放電曲線と同
様の挙動を示した。
The first charge / discharge of the manufactured capacitor of Example 1 was performed at a constant current of 10 mA, constant-current charging up to 4 V, followed by constant voltage charging at 4 V for 20 minutes.
This was performed by discharging at a discharge current of 5 mA. Capacitance density of conventional capacitor using activated carbon is 15F / cc
However, Example 1 showed a large capacitance density of 27 F / cc. In addition, when a voltage exceeding 3 V was applied to a conventional capacitor using activated carbon, the decomposition of the electrolytic solution remarkably occurred and the capacitor could not be used. However, in the capacitor of Example 1, the high voltage of 4 V as described above was used. Even if it was applied, there was no hindrance to continuous use. The first charge / discharge curve and the second and subsequent charge / discharge curves of the capacitor of Example 1 showed the same behavior as the charge / discharge curve previously shown in FIG.

【0037】 (実施例2)平均粒径7μmのメソフェ
ーズカーボンパウダー100gを、窒素雰囲気中、78
0℃で2時間ほど熱処理して炭化処理を行い、室温まで
冷却した。なお、この時の昇温速度は100℃/時間と
した。その後、得られた炭化物を粉砕した。この炭化材
料の粉末50gと水酸化ナトリウム100gを混合して
アルミナ坩堝に入れ、窒素ガス雰囲気中、900℃で2
時間のアルカリ賦活処理を行った。冷却後に、不要な水
酸化ナトリウム等のナトリウム化合物を水洗して除去
し、濾過により炭素材料粉末を分離、乾燥して粉末状の
炭素材料を得た。
Example 2 100 g of mesophase carbon powder having an average particle diameter of 7 μm was placed in a nitrogen atmosphere at 78
Heat treatment was performed at 0 ° C. for about 2 hours to perform carbonization treatment, and the mixture was cooled to room temperature. In this case, the heating rate was 100 ° C./hour. Thereafter, the obtained carbide was pulverized. A mixture of 50 g of the carbonized material powder and 100 g of sodium hydroxide was placed in an alumina crucible, and was placed in a nitrogen gas atmosphere at 900 ° C.
The alkali activation treatment was performed for a time. After cooling, unnecessary sodium compounds such as sodium hydroxide were removed by washing with water, and the carbon material powder was separated by filtration and dried to obtain a powdery carbon material.

【0038】 得られた電極用炭素材料を用い、実施例
1の場合と同様にしてコンデンサ(実施例2)を作製し
た。但し、実施例2のコンデンサにおいては、電解液と
して、PCを溶媒とし、メチルエチルピロリジニウム・
テトラフルオロボレート(MEPYBF4)を溶質とし
て濃度2mol/Lに調製した電解液を用いた。得られ
た実施例2のコンデンサについて、実施例1の場合と同
様にして最初の充放電を行ったところ、28F/ccの
静電容量密度が得られた。また、実施例2のコンデンサ
についても、充放電曲線の形態は、先に図5に示した充
放電曲線と同様であった。
Using the obtained carbon material for an electrode, a capacitor (Example 2) was manufactured in the same manner as in Example 1. However, in the capacitor of Example 2, PC was used as an electrolyte, and methylethylpyrrolidinium.
An electrolyte prepared using tetrafluoroborate (MEPYBF 4 ) as a solute at a concentration of 2 mol / L was used. When the obtained capacitor of Example 2 was charged and discharged for the first time in the same manner as in Example 1, a capacitance density of 28 F / cc was obtained. The charge / discharge curve of the capacitor of Example 2 was the same as the charge / discharge curve shown in FIG.

【0039】 (実施例3)ポリ塩化ビニル(PVC)
粉末500gを、窒素雰囲気中、850℃で2時間ほど
熱処理して炭化処理を行い、室温まで冷却した。なお、
この時の昇温速度は100℃/時間とした。その後、得
られた炭化物を平均粒径45μmに粉砕した。この炭化
材料の粉末50gと水酸化ルビジウム100gを混合し
てアルミナ坩堝に入れ、窒素ガス雰囲気中、900℃で
2時間のアルカリ賦活処理を行った。冷却後に、不要な
水酸化ルビジウム等のルビジウム化合物を水洗して除去
し、濾過により炭素材料粉末を分離、乾燥して粉末状の
炭素材料を得た。
Example 3 Polyvinyl Chloride (PVC)
500 g of the powder was carbonized by heat treatment at 850 ° C. for about 2 hours in a nitrogen atmosphere, and cooled to room temperature. In addition,
The heating rate at this time was 100 ° C./hour. Thereafter, the obtained carbide was pulverized to an average particle size of 45 μm. 50 g of this carbonized material powder and 100 g of rubidium hydroxide were mixed, placed in an alumina crucible, and subjected to an alkali activation treatment at 900 ° C. for 2 hours in a nitrogen gas atmosphere. After cooling, unnecessary rubidium compounds such as rubidium hydroxide were removed by washing with water, and a carbon material powder was separated by filtration and dried to obtain a powdery carbon material.

【0040】 得られた電極用炭素材料を用い、実施例
1の場合と同様にしてコンデンサ(実施例3)を作製し
た。但し、実施例3のコンデンサにおいては、電解液と
して、PCを溶媒とし、トリエチルメチルアンモニウム
・テトラフルオロボレート(TEMABF4)を溶質と
して濃度1mol/Lに調製した電解液を用いた。得ら
れた実施例3のコンデンサについて、実施例1の場合と
同様にして最初の充放電を行ったところ、30F/cc
の静電容量密度が得られた。なお、実施例3のコンデン
サの充放電曲線の形態は、先に図5に示した充放電曲線
と同様であった。
Using the obtained carbon material for an electrode, a capacitor (Example 3) was manufactured in the same manner as in Example 1. However, in the capacitor of Example 3, an electrolyte prepared by using PC as a solvent and triethylmethylammonium tetrafluoroborate (TEMABF 4 ) as a solute to a concentration of 1 mol / L was used as the electrolyte. The obtained capacitor of Example 3 was subjected to the first charge / discharge in the same manner as in Example 1, and found to be 30 F / cc.
Was obtained. The form of the charge / discharge curve of the capacitor of Example 3 was similar to the charge / discharge curve shown in FIG.

【0041】[0041]

【発明の効果】 以上の通り、本発明の電気二重層コン
デンサは、従来の活性炭を用いた電気二重層コンデンサ
と比較して、格段に高い静電容量密度と耐電圧を得るこ
とができるという優れた効果を奏する。
As described above, the electric double layer capacitor of the present invention is superior in that it can obtain a much higher capacitance density and withstand voltage as compared with a conventional electric double layer capacitor using activated carbon. It has the effect.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 単電極セルの構造の一例を示す斜視図であ
る。
FIG. 1 is a perspective view showing an example of the structure of a single electrode cell.

【図2】 単キャパシタセルの構造の一例を示す斜視図
である。
FIG. 2 is a perspective view showing an example of the structure of a single capacitor cell.

【図3】 捲回型電気二重層コンデンサの構造の一例を
示す斜視図である。
FIG. 3 is a perspective view showing an example of the structure of a wound electric double layer capacitor.

【図4】 本発明に好適に用いられる炭素材料の微構造
を模式的に示す説明図である。
FIG. 4 is an explanatory view schematically showing a microstructure of a carbon material suitably used in the present invention.

【図5】 本発明の電気二重層コンデンサの充放電特性
を示すグラフである。
FIG. 5 is a graph showing charge / discharge characteristics of the electric double layer capacitor of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10…単電極セル、12…単キャパシタセル、22・2
4…集電体、26…分極性電極、28…セパレータ、3
0・32…電極取り出し部、70…捲回型電気二重層コ
ンデンサ、72…正極シート、74…負極シート、76
…捲回体、78…ケース、80…電極端子、82…封口
板、90・92…炭素材料、94…微結晶炭素、96…
構造体、98…間隙部。
10 single electrode cell, 12 single capacitor cell, 22.2
4 ... current collector, 26 ... polarizable electrode, 28 ... separator, 3
0.32 electrode extraction part, 70 wound type electric double layer capacitor, 72 positive electrode sheet, 74 negative electrode sheet, 76
... wound body, 78 ... case, 80 ... electrode terminal, 82 ... sealing plate, 90/92 ... carbon material, 94 ... microcrystalline carbon, 96 ...
Structure, 98: gap.

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 主として炭素材料により構成される分極
性電極が、有機電解液中に浸漬されてなる電気二重層コ
ンデンサであって、 当該炭素材料が黒鉛類似の微結晶炭素からなる構造体を
有しており、最初の充電によって当該有機電解液が分解
して、当該構造体の表面及び/又は当該構造体間の間隙
部に皮膜が形成され、当該皮膜の部分において電気二重
層が形成されることにより静電容量が発現することを特
徴とする電気二重層コンデンサ。
1. An electric double-layer capacitor in which a polarizable electrode mainly composed of a carbon material is immersed in an organic electrolyte, wherein the carbon material has a structure made of graphite-like microcrystalline carbon. The organic electrolyte is decomposed by the first charge, a film is formed on the surface of the structure and / or a gap between the structures, and an electric double layer is formed on the portion of the film. An electric double layer capacitor characterized in that a capacitance is developed by the application.
【請求項2】 前記炭素材料がアルカリ金属種を含有す
ることを特徴とする請求項1記載の電気二重層コンデン
サ。
2. The electric double layer capacitor according to claim 1, wherein the carbon material contains an alkali metal species.
【請求項3】 前記構造体間の間隙部にアルカリ金属種
が存在することを特徴とする請求項2記載の電気二重層
コンデンサ。
3. The electric double layer capacitor according to claim 2, wherein an alkali metal species is present in a gap between the structures.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2001013390A1 (en) * 1999-08-10 2001-02-22 Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha Method for producing activated carbon for electrode of electric double-layer capacitor

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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US7214646B1 (en) 1999-08-10 2007-05-08 Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha Method for producing activated carbon for electrode of electric double-layer capacitor

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